Ülesanne.

Joonisel on välja toodud ringjoon, mille sees on neli ühesuguse pindalaga ruutu. Leidke võrrand, mis iseloomustaks seda ringjoont ja leidke ringi pindala, mis ei ole ruutude poolt hõivatud.

Vastus.

Jooniselt on näha, et ruutude tippudest 3 asuvad ringjoonel. Esmalt tuleb leida iga ringjoonel asetseva ruudu nurga asukohad. Kuna ruutude pindalaks on 9, siis iga ruudu külg on pikkusega 3. Ringi pindala ja võrrandi valemid on järgnevad:

$$S = \pi r^2$$ $$\lparen{x - a}\rparen^2 + \lparen{y - b}\rparen^2 = r^2$$

Seame kõige parempoolsema ruudu alumise parempoolse punkti koordinaadiks K:

$$K\lparen{0;0}\rparen$$

Seega on kõige parempoolsema ruudu ülemine parempoolne nurk punktis L:

$$L\lparen{0;3}\rparen$$

Leiame kõige vasakpoolsema ruudu alumise vasakpoolse nurga koordinaadid:

$$M\lparen{-12;-3}\rparen$$

Saame koostada kolm erinevat võrrandit ringjoone jaoks, mis peavad kehtima samaaegselt:

$$\begin{cases} \lparen{0 - a}\rparen^2 + \lparen{0 - b}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{0 - a}\rparen^2 + \lparen{3 - b}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{-12 - a}\rparen^2 + \lparen{-3 - b}\rparen^2 = r^2 \end{cases}$$

Võrrandid lihtsustvad järgnevalt:

$$\begin{cases} a^2 + b^2 = r^2 \\ a^2 + \lparen{3 - b}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{12 + a}\rparen^2 + \lparen{3 + b}\rparen^2 = r^2 \end{cases}$$

Lahendame tekkinud võrrandite süsteemi:

$$\begin{cases} b^2 = r^2 - a^2 \\ \lparen{3 - b}\rparen^2 = r^2 - a^2 \end{cases}$$ $$b^2 = \lparen{3 - b}\rparen^2$$ $$b^2 = 9 - 6b + b^2$$ $$6b = 9$$ $$b = \frac{9}{6} = \frac{3}{2}$$

Asendame b väärtuse algsesse süsteemi:

$$\begin{cases} a^2 + \lparen{\frac{3}{2}}\rparen^2 = r^2 \\ a^2 + \lparen{3 - \frac{3}{2}}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{12 + a}\rparen^2 + \lparen{3 + \frac{3}{2}}\rparen^2 = r^2 \end{cases}$$

Lihtsustame võrrandeid:

$$\begin{cases} a^2 + \frac{9}{4} = r^2 \\ a^2 + \frac{9}{4} = r^2 \\ \lparen{12 + a}\rparen^2 + \frac{81}{4} = r^2 \end{cases}$$

Kuna kolmest võrrandist 2 kattuvad, siis saame ühest neist loobuda. Kuna ülejäänud 2 võrrandit on mõlemad raadiuse ruudu suhtes võrdsed, siis saame need omavahel võrdsustada:

$$a^2 + \frac{9}{4} = \lparen{12+a}\rparen^2 + \frac{81}{4}$$

Lahendame võrrandi:

$$a^2 + \frac{9}{4} = 144 + 24a + a^2 + \frac{81}{4}$$ $$\frac{9}{4} = 144 + 24a + \frac{81}{4}$$ $$24a = \frac{9}{4} - 144 - \frac{81}{4}$$ $$24a = -162$$ $$a = -\frac{162}{24} = -\frac{27}{4}$$

Asendame a väärtuse:

$$\begin{cases} \lparen{-\frac{27}{4}}\rparen^2 + \lparen{\frac{9}{4}}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{-\frac{27}{4}}\rparen^2 + \lparen{3 - \frac{3}{2}}\rparen^2 = r^2 \\ \lparen{12 - \frac{27}{4}}\rparen^2 + \lparen{3 + \frac{3}{2}}\rparen^2 = r^2 \end{cases}$$

Leiame raadiuse ruudu väärtuse:

$$\lparen{-\frac{27}{4}}\rparen^2 + \lparen{\frac{9}{4}}\rparen^2 = r^2$$ $$\frac{729}{16} + \frac{81}{16} = r^2$$ $$r^2 = \frac{810}{16}$$ $$r^2 = \frac{405}{8}$$

Ringjoont iseloomustav võrrand on:

$$\lparen{x + \frac{27}{4}}\rparen^2 + \lparen{y - \frac{3}{2}}\rparen^2 = \frac{405}{8}$$

Ringi pindala on:

$$S = \pi \frac{405}{8}$$

Ringi pindala, mis pole ruutude poolt hõivatud, on:

$$S = \pi \frac{405}{8} - 36$$